Nanoliter‐Scale Light–Matter Interaction in a Fiber‐Tip Cavity Enables Sensitive Photothermal Gas Detection

光热治疗 材料科学 光纤 比例(比率) 光电子学 纤维 光学 纳米技术 物理 复合材料 量子力学
作者
Yue Yan,Xunzhou Xiao,Qinxue Nie,Zhen Wang,Y Chen,Jiahao Wu,Nansen Zhou,Renjie Zhou,Sen Yang,Wei Ren
出处
期刊:Laser & Photonics Reviews [Wiley]
标识
DOI:10.1002/lpor.202400907
摘要

Abstract Laser spectroscopy offers a significant tool for revealing specific molecular details with the desired accuracy and sensitivity. However, it poses challenges to maintain high sensitivity when targeting a micro‐region. Here, a dual‐enhanced photothermal approach is presented using a high‐finesse fiber Fabry–Pérot (F–P) cavity, tailored for highly sensitive chemical sensing with nanoliter‐scale light–matter interaction. A spheric surface (diameter: 50 µm, radius of curvature: 910 µm) is created on the fiber tip using focused ion beam milling. By adding a high‐reflectivity dielectric coating to the spheric surface, a fiber F–P cavity is obtained with a length of 473 µm and a finesse exceeding 4000. The intra‐cavity pump light within the gas‐filled fiber cavity generates a strong photothermal effect upon gas absorption. This effect induces phase modulation, which is amplified and detected by coupling a probe laser to the fiber cavity‐based interferometer. A minimum detection limit of 10 parts‐per‐billion (ppb) of C 2 H 2 at 1530.37 nm is demonstrated using only 1 mW of pump power, corresponding to a normalized noise equivalent absorption coefficient of 9.1×10 −11 cm −1 ∙W∙Hz −1/2 . This platform breaks the bottleneck of ultrasensitive gas detection with a very short light–matter interaction length, promising significant advancements in microscale chemical analysis through optical investigations.
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